8.4-圖象相減、匹配濾波與圖象識別

8.3圖象加減、匹配濾波與圖象識別一.圖象相減圖象相減可以探測兩幅圖象之間的差別信息，從而予以鑒別。圖象相減技術(shù)在許多領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用價值，如自動監(jiān)測、質(zhì)量檢測等在軍事、通信上均有用途。1.光柵濾波法實現(xiàn)圖象相減的方法：采用4f系統(tǒng)，將正弦（或余弦）光柵作為濾波器，放置在頻譜面上，對輸入圖象的頻譜進(jìn)行濾波。圖4-4-3圖像相加運算仿真實驗的舉例(a)、(c)是輸入圖像；(b)、(d)分別是(a)、(c)輸入圖相加運算的結(jié)果(a)(b)(c)(d)(b)輸入(a)余弦光柵(c)輸出圖4-4-2圖像相加運算過程的仿真前景+背景背景兩者相減的結(jié)果圖象相減（差影法）是非常有用的，比如說可以用在監(jiān)控系統(tǒng)中。在銀行金庫內(nèi)，攝像頭每隔一小段時間，拍攝一幅圖，與上一幅圖做差影，如果差別超過了預(yù)先設(shè)置的閾值，說明有人，這時就應(yīng)該拉響警報。應(yīng)用舉例2.羅奇光柵編解碼法（透反光柵編碼法）制作光路濾波函數(shù)為其中3.復(fù)合光柵濾波器(用于圖像微分)濾波器的脈沖響應(yīng)為對于輸入函數(shù)，系統(tǒng)在Ｐ３面得到的輸出為：說明：當(dāng)很小時，公式中的第２、３項與輸入函數(shù)沿x方向的微分成正比。＝微分濾波器的制作微分濾波器可用光學(xué)全息方法，也可用計算全息方法制作。光學(xué)全息方法制作全息微分濾波器實際上是作復(fù)合光柵，制作復(fù)合光柵的光路如下圖示。第一次曝光時，干板對于兩束光呈對稱狀態(tài)；第二次曝光前將平臺轉(zhuǎn)過一微小角度

，曝光后經(jīng)處理便得到復(fù)合光柵，也就是微分濾波器。

復(fù)合光柵作微分濾波的機理置于原點的物的頻譜受一個復(fù)合光柵調(diào)制后，在輸出面可得到六個衍射像：兩個零級像在原點，兩套正、負(fù)一級像對稱分布于兩側(cè)。兩個同級衍射像沿x方向只錯開很小的距離。當(dāng)復(fù)合光柵位置調(diào)節(jié)適當(dāng)時，可使兩個同級衍射像正好相差

位相，相干迭加時重疊部分相消，只余下錯開的部分，因而轉(zhuǎn)換成強度時形成很細(xì)的亮線，構(gòu)成了光學(xué)微分圖形。光學(xué)微分的應(yīng)用實際上，光學(xué)微分是用差分近似的結(jié)果，原理和圖像相減是一回事。人的視覺對于輪廓十分敏感，輪廓也是物體的重要特征之一，只要能看到輪廓線，便可大體分辨出是何種物體。因而將模糊圖片進(jìn)行光學(xué)微分，得出輪廓來進(jìn)行識別，可以大大壓縮圖象的信息量提取輪廓的其它方法也由光學(xué)微分發(fā)展而來微分濾波用于位相物，也有應(yīng)用價值。例如，用光學(xué)微分檢測透明光學(xué)元件內(nèi)部缺陷或折射率不均勻性，用于檢測位相型光學(xué)元件的加工是否符合設(shè)計要求等等.二.匹配濾波技術(shù)1.全息濾波器的制作和工作原理注意:M的復(fù)振幅透過率等于所需濾波器的脈沖響應(yīng)h.制作出來的全息濾波器的復(fù)振幅透過率為：在4F系統(tǒng)的頻譜面上放置上述全息濾波器,如果輸入函數(shù)為則輸出面上的復(fù)振幅分布為見教材P318下面利用相干光學(xué)處理來進(jìn)行兩個函數(shù)的卷積運算和相關(guān)運算：制作h的頻譜函數(shù)H，作為濾波函數(shù)。將f作為輸入函數(shù)。則經(jīng)過頻譜面上H的濾波，得到HF，那么輸出面上得到h與f的卷積運算結(jié)果。2.制作H*作為濾波器，將f作為輸入函數(shù)。則輸出面上得到的分布是h與f的相關(guān)運算結(jié)果。2.匹配濾波器(319頁)物平面頻譜面像平面濾波器“匹配”的實質(zhì)是：在頻域中對輸入信號的相位進(jìn)行補償，形成平面相位分布（即平面波）。圖像的相關(guān)識別是在一些圖像（如文字、指紋、生物樣品等）中鑒別是否具有某一特定分布的圖像。這種技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理、安全子系統(tǒng)、指紋及容貌識別、光學(xué)特征識別及跟蹤等。光學(xué)圖像的相關(guān)識別有兩類基本方法：其一是Vanderlugt濾波器（VanderLugt

correlator:VLC），其二是聯(lián)合變換相關(guān)器（jointtransformcorrelator:JTC）。

它們都具有并行性、速度快和容量大等優(yōu)點。特別是聯(lián)合變換相關(guān)器不需要制作和精確復(fù)位復(fù)值濾波器，因而更引人注目。

三.圖象識別Vanderlugt濾波相關(guān)識別的缺點:需要將參考圖像制作成復(fù)數(shù)匹配濾波器,復(fù)數(shù)匹配濾波器的制作較為復(fù)雜,并且在匹配識別時需要精確的復(fù)位.Vanderlugt濾波器采用前面介紹的全息濾波器的制作方法。Vanderlugt濾波相關(guān)識別的改進(jìn)實驗中采用2mW、波長為632.8nm的He-Ne激光器作為相干光源,傅立葉變換透鏡焦距為400mm,場景和濾波均采用液晶型SLM,分辨率為1024×768,SLM1載入待識別的場景,SLM2載入匹配濾波器。假設(shè)SLM1上的輸入圖像為f(x,y),經(jīng)傅里葉變換透鏡后,可得:制作的匹配濾波器應(yīng)為:可得VLC的相關(guān)輸出為:即:相關(guān)器輸出為被識別圖像的自相關(guān).表現(xiàn)在相關(guān)輸出平面上出現(xiàn)尖銳的相關(guān)峰分布。目前的光學(xué)相關(guān)器系統(tǒng)大都采用了兩片SLM,來解決系統(tǒng)工作的實時性問題。SLM空間光調(diào)制器空間光調(diào)制器：能夠?qū)崿F(xiàn)對二維空間各點光強進(jìn)行調(diào)制的器件。知識補充:液晶光閥（LCLV）——最常見的一種空間光調(diào)制器。利用液晶對偏振光的扭曲效應(yīng)而制成的空間光調(diào)制器。液晶態(tài)是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，既有液體的流動性、粘度、形變等機械性質(zhì)，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質(zhì)。液晶與液體、晶體之間的區(qū)別是：液體是各向同性的，分子取向無序；液晶分子有取向序，但無位置序；晶體則既有取向序又有位置序。聯(lián)合傅里葉變換(jointFouriertransform)是重要的相關(guān)處理器，大量應(yīng)用于圖象、特征識別，在指紋識別、字符識別、空中目標(biāo)和地面遙感圖識別等領(lǐng)域已逐步進(jìn)入實用化階段。聯(lián)合變換相關(guān)器基本理論

典型的聯(lián)合變換相關(guān)器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。中心分別位于（-b,0）和（+b,0）處的待識別目標(biāo)圖像t(x-b,y)和參考圖像r(x+b,y)，同時對稱地輸入到傅里葉變換透鏡LFT1的前焦平面上。則該平面上的復(fù)振幅透射率可表示為：

聯(lián)合變換相關(guān)器原理圖InputLFT1SquarelawconverterOutputflfffr(x-b)t(x+b)LFT2在透鏡LFT1的后焦平面上形成u(x,y)的聯(lián)合傅里葉變換頻譜（復(fù)振幅）分布：

式中R(fx,fy)和T(fx,fy)分別為參考圖像r(x,y)和待識別目標(biāo)圖像t(x,y)的傅里葉變換譜復(fù)振幅分布，fx=x/lf和fy=y/lf分別為透鏡LFT1后焦平面上的空間頻率，f為傅里葉變換透鏡LFT1的焦距，l為相干照明光波的波長。該復(fù)振幅分布經(jīng)平方律轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成聯(lián)合變換功率譜分布：

式中*表示對相應(yīng)函數(shù)的復(fù)共軛。該功率譜經(jīng)透鏡LFT2二次傅里葉變換后，在輸出平面（即LFT2的后焦平面）上得到I(fx,fy)的傅里葉變換，有：

式中表示相關(guān)運算，*表示卷積運算。從上式可以看出，在輸出平面上x=±2b處出現(xiàn)r和t的相關(guān)點。圖像r和t相同時，將出現(xiàn)較亮的相關(guān)點；r和t不同時，則出現(xiàn)較暗的彌散斑。以此便可實現(xiàn)圖像的相關(guān)識別。

光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)運算的仿真結(jié)果(a)輸入(b)相關(guān)運算結(jié)果(c)相關(guān)峰(d)輸入(e)相關(guān)運算結(jié)果(f)相關(guān)峰

光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)識別仿真結(jié)果(a)輸入(b)相關(guān)識別結(jié)果(c)相關(guān)峰(d)輸入(e)相關(guān)識別結(jié)果(f)相關(guān)峰

字符識別實驗仿真結(jié)果聯(lián)合變換相關(guān)識別的優(yōu)點具有原理簡單，操作容易，不需要制作復(fù)數(shù)匹配濾波器等優(yōu)點，更適合實時處理.反射型MSF實時指紋識別器計算機模擬計算機模擬裝備在導(dǎo)彈頭部的圖像識別系統(tǒng)聯(lián)合變換相關(guān)圖象識別系統(tǒng)

M3L1BS1LCLVDP1BS2L2O1M2O2STPBSFTL2M1FTL1LACCDPSPBS3DP3DP2ACRT計算機

數(shù)字圖象處理系